Alma es científica en el famoso Museo de Pérgamo de Berlín. Con el fin de obtener fondos de investigación para sus estudios, acepta una oferta para participar en un experimento extraordinario. Durante tres semanas, debe vivir con un robot humanoide con inteligencia artificial diseñado para permitirle transformarse en el de su compañero de vida ideal. Entra Tom, una máquina en forma humana, creada para hacerla feliz.
Tom Hanks interpreta a Finch, un ingeniero especializado en robótica y uno de los pocos supervivientes de un cataclismo solar que ha convertido al mundo en un páramo. Pero Finch, que lleva una década viviendo en un búnker subterráneo, ha construido un mundo propio que comparte con su perro, Goodyear, y con un robot, interpretado por Caleb Landry Jones, que creó para que cuide de Goodyear cuando él ya no pueda hacerlo. Cuando el trío se embarca en un peligroso viaje al desolado oeste americano, Finch se esfuerza por mostrar a su creación, que se bautizó como Jeff, y la alegría y la maravilla que representan estar vivo. Su viaje está plagado de retos y de humor, ya que a Finch le resulta tan difícil lograr que Jeff y Goodyear se lleven bien como a él lidiar con los peligros de este nuevo mundo.
En el año 2035, los robots son unos dispositivos que usamos todos los días y en quienes confiamos, excepto un detective paranoico, investigando lo que solo él cree que es un crimen perpetrado por un robot. El caso lo lleva a descubrir algo aún peor que amenaza la raza humana.